Download teora cintica de los gases - Biblioteca de la UNS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA
BIOFÍSICA
TEORÍA CINÉTICA DE LOS GASES
En esta sección estudiaremos un sistema de muchas partículas y consideraremos la
conducta promedio de sus constituyentes microscópicos. En particular, se calculará la
presión ejercida por el sistema de partículas en términos de los choques que experimentan
las moléculas del gas contra las paredes del recipiente.
El objetivo del programa, es el de relacionar las variables presión, volumen y temperatura,
en un modelo de gas ideal bidimensional, así como la de conocer la interpretación cinética
de la presión y de la temperatura de un gas.
El gas ideal bidimensional está encerrado en un recipiente que dispone de un émbolo
móvil, de modo que se puede aumentar o disminuir el volumen (área) del gas. Las
moléculas se colocan inicialmente en posiciones aleatorias, las direcciones de sus
velocidades también son aleatorias y sus magnitudes son iguales y proporcionales a la raíz
cuadrada de la temperatura. Tenemos de este modo un sistema de partículas en equilibrio
a la temperatura T, que chocan elásticamente entre sí y con las paredes del recipiente.
El programa calcula el cambio de momento lineal que experimentan las moléculas al
chocar con el émbolo y divide este cambio entre el tiempo. El cociente es una medida de la
fuerza que ejerce el émbolo sobre las moléculas del gas, o también se puede interpretar
como una medida de la presión del gas.
El programa interactivo, también nos permite observar el vector velocidad asociado a cada
molécula y cómo dicho vector cambia de orientación pero no de módulo cuando una
molécula choca con la pared del recipiente, pero cambia de módulo y dirección cuando se
produce
una
colisión
entre
dos
moléculas.
Vemos que partiendo de una distribución inicial en el que las velocidades de las moléculas
son iguales en módulo, al cabo de un cierto tiempo unas moléculas tienen mayor velocidad
y otras moléculas tienen menor velocidad. La distribución de velocidades cuando se
alcanza el equilibrio sigue la ley de distribución de Maxwell.
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Descripción
El postulado básico de la teoría cinética de los gases es que las direcciones y las
magnitudes de las velocidades de las moléculas están distribuidas al azar.
Cuando nos referimos a las velocidades de las moléculas, las medimos respecto del centro
de masas del sistema gaseoso, por tanto, la presión y la temperatura del gas no se
modifican si el recipiente que lo contiene está en movimiento.
Si suponemos que las velocidades en el sentido positivo del eje X (o del eje Y o Z) son
igualmente probables que en el sentido negativo, las velocidades medias a lo largo de los
ejes son cero, es decir.
<vx>=<vy>=<vz>=0.
Por otra parte, se cumplirá que las velocidades a lo largo del eje X no estarán relacionadas
con las velocidades a lo largo del eje Y o Z, por tanto,
<v2x>=<v2y>=<v2z>.
Como el cuadrado del módulo de la velocidad es
2
2
v >=3< v x>
v2= v2x +v2y +v2z
resulta que
<
La presión ejercida por el gas
Supongamos que el gas está encerrado en un recipiente, tal como se muestra en la figura.
El recipiente dispone de un émbolo móvil de área A. Para mantener fijo el émbolo es
necesario ejercer una fuerza F, normalmente a la superficie del émbolo. El valor de la
fuerza F es igual al producto de la presión ejercida por el gas por el área del émbolo.
F=PA
Las moléculas del gas chocan elásticamente con el émbolo, de modo que la componente X
de la velocidad cambia de sentido. Por tanto, el cambio en el momento lineal de cada
molécula es
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Δp=2mvx
Si el número total de moléculas que chocan con el émbolo en el intervalo de tiempo
comprendido entre t y t+Δt es Nx, la variación de momento lineal será 2mvxNx.
Podemos calcular Nx considerando que solamente la mitad de las moléculas, en promedio,
tienen el sentido de la velocidad hacia la parte positiva del eje X, es decir, se dirigen hacia
el émbolo.
Si suponemos que las moléculas que chocan con el émbolo tienen el mismo valor de la
componente X de la velocidad, cruzarán el área A en el tiempo Δt todas las partículas
contenidas en el volumen AvxΔt. Si n es el número de partículas por unidad de volumen Nx
valdrá entonces, nAvxΔt/2.
La variación de momento lineal Δp en el intervalo de tiempo comprendido entre t y t+Δt es
mvx nAvxΔt.
La fuerza sobre el émbolo es el cociente entre el cambio de momento lineal y el tiempo que
tarda en efectuarse dicho cambio.
y por tanto, la presión ejercida por el gas vale
P=n(mv2x)
Todas las moléculas no tienen el mismo valor vx de la velocidad, sino que la distribución de
2
velocidades es tal que su valor medio cuadrático es <v x>. Por tanto, en la expresión de la
2
2
presión P, hemos de sustituir v x por <v x>.
ya que <v2x>=<v2>/3
(1)
El último término que aparece en la fórmula es el valor medio de la energía cinética.
Definición cinética de la temperatura
La temperatura de un sistema se define en Termodinámica como una variable que se mide
por los cambios observados en las propiedades macroscópicas de la materia cuando
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cambia la temperatura. La ecuación de estado de un gas ideal relaciona las propiedades
macroscópicas, presión P, el volumen V y temperatura T.
PV=μRT
Siendo μ el número de moles.
El número n de moléculas por unidad de volumen se obtiene dividiendo el número total de
moléculas N entre el volumen del recipiente V.
donde N0 el número de Avogadro
Introduciendo n en la expresión de la presión del gas (1), obtenemos
(2)
Comparando esta ecuación con la de estado de un gas ideal, se llega a la definición
cinética de temperatura
mv 2 3 R
=
T
2
2N
El cociente entre las dos constantes R y N0 es otra constante que designamos por k, la
constante de Boltzmann.
La temperatura absoluta definida, por ejemplo, para un termómetro de gas ideal es una
medida directa de la energía media de traslación de las moléculas del gas.
(3)
La temperatura podría medirse en unidades de energía, el hecho de que se mida en grados
se debe a la definición tradicional de temperatura, que se estableció antes de que se
descubriese la relación antes mencionada.
Otra forma útil de la ecuación de los gases perfectos que se deriva de (2) y (3) es
P·V=N·k·T
Donde N es el número de moléculas contenidas en el recipiente de volumen V.
Como las moléculas de un gas ideal solamente tienen energía cinética, se desprecia la
energía potencial de interacción. La energía interna U de un gas ideal es N veces la
energía cinética media de una molécula.
Teoría cinética
La teoría cinética de los gases es una teoría física que explica el comportamiento y
propiedades macroscópicas de los gases a partir de una descripción estadística de los
procesos moleculares microscópicos. La teoría cinética se desarrolló con base en los
estudios de físicos como Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell a finales del siglo XIX.
Principios: Los principios fundamentales de la teoría cinética son los siguientes:
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•
•
•
•
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El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande
comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en
comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales.
Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en
forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad
promedio que no cambia con el tiempo.
Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el
momento lineal como la energía cinética de las moléculas.
Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque.
Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto
alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el
choque.
•
•
El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.
El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase.
Estos postulados describen el comportamiento de un gas ideal. Los gases reales se
aproximan a este comportamiento ideal en condiciones de baja densidad y temperatura.
Presión: En el marco de la teoría cinética la presión de un gas es explicada como el
resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas del
gas con las paredes del contenedor. La presión puede definirse por lo tanto haciendo
referencia a las propiedades microscópicas del gas.
En general se cree que hay más presión si las partículas se encuentran en estado sólido, si
se encuentran en estado liquido es mínima la distancia entre una y otra y por último si se
encuentra en estado gaseoso se encuentran muy distantes.
En efecto, para un gas ideal con N moléculas, cada una de masa m y moviéndose con una
velocidad aleatoria promedio vrms contenido en un volumen cúbico V las partículas del gas
impactan con las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de manera
estadística intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando
una fuerza neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie
sólida.
La presión puede calcularse como
2
N mv rms
P=
3V
Este resultado es interesante y significativo no sólo por ofrecer una forma de calcular la
presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión,
con la energía cinética traslacional promedio por molécula, 1/2 mvrms², que es una magnitud
microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el
volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas
contenidas.
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Temperatura
La ecuación superior nos dice que la presión de un gas depende directamente de la
energía cinética molecular. La ley de los gases ideales nos permite asegurar que la presión
es proporcional a la temperatura absoluta. Estos dos enunciados permiten realizar una de
las afirmaciones más importantes de la teoría cinética: La energía molecular promedio es
proporcional a la temperatura. La constante de proporcionales es 3/2 la constante de
Boltzmann, que a su vez es el cociente entre la constante de los gases R entre el número
de Avogadro. Este resultado permite deducir el principio o teorema de equipartición de la
energía.
La energía cinética por Kelvin es:
•
•
Por mol 12,47 J
Por molécula 20,7 yJ = 129 μeV
En condiciones estándar de presión y temperatura (273,15 K) se obtiene que la
energía cinética total del gas es:
•
•
Por mol 3406 J
Por molécula 5,65 zJ = 35,2 meV
Ejemplos:
•
•
•
Dihidrógeno (peso molecular = 2): 1703 kJ/kg
Dinitrógeno (peso molecular = 28): 122 kJ/kg
Dioxígeno (peso molecular = 32): 106 kJ/kg
Velocidad promedio de las moléculas
De las fórmulas para la energía cinética y la temperatura se tienen caracteristicas como
2
v rms
=
3K B T
m
en donde Kb es la constante de Boltzmann y T la temperatura en grados kelvin.
Sustituyendo los valores, se obtiene que
2.4940 x10 4 T
v =
mm
donde v se mide en m/s, T en grados Kelvin y m_m en uma.
2
rms
Para una temperatura estándar la velocidad promedio de las moléculas de gas son:
•
•
•
Dihidrógeno 1846 m/s
Dinitrógeno 493 m/s
Dioxígeno 461 m/s
Las velocidades más probables son un 81,6% de estos valores.
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Ley de los gases ideales
Diagrama presión-volumen a temperatura constante para un gas ideal.
La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético
formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son
perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). Los gases reales
que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en
condiciones de baja presión y alta temperatura.
Empíricamente, se observan una serie de relaciones entre la temperatura, la
presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por
primera vez por Émile Clapeyron en 1834.
La ecuación de estado
La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la
temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:
PV = n R T
Donde:
•
•
•
•
•
= Presión
= Volumen
= Moles de Gas.
= Constante universal de los gases ideales .
= Temperatura absoluta
Teoría cinética molecular
Esta teoría fue desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las
propiedades de un gas ideal a nivel molecular.
•
•
•
•
•
•
Todo gas ideal está formado por N pequeñas partículas puntuales (átomos o
moléculas).
Las moléculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada.
Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo
contiene, debido a los choques de las partículas con las paredes de éste.
Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de energía
cinética.
No se tienen en cuenta las interacciones de atracción y repulsión molecular.
La energía cinética media de la translación de una molécula es directamente
proporcional a la temperatura absoluta del gas.
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En estas circunstancias, la ecuación de los gases se encuentra teóricamente:
PV = NκBT
donde κB es la constante de Boltzmann.
La ecuación de estado para gases reales
Artículo principal: Ley de los gases reales
Valores de R
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Haciendo una corrección a la ecuación de estado de un gas ideal, es decir,
tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares y volúmenes intermoleculares
finitos, se obtiene la ecuación para gases reales, también llamada ecuación de Van
der Waals:
Donde:
•
•
•
•
•
•
= Presión del gas
= Volumen del gas
= Moles de gas.
= Constante universal de los gases ideales
= Temperatura.
y son constantes determinadas por la naturaleza del gas con el fin de que haya la
mayor congruencia posible entre la ecuación de los gases reales y el comportamiento
observado experimentalmente.
Ecuación general de los gases ideales
Partiendo de la ecuación de estado:
Tenemos que:
Donde R es la constante universal de los gases ideales, luego para dos estados del mismo
gas, 1 y 2:
Para una misma masa gaseosa (por tanto, el número de moles «n» es constante),
podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presión y
volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura.
Formas alternativas
Como la cantidad de sustancia podría ser dada en masa en lugar de moles, a veces es útil
una forma alternativa de la ley del gas ideal. El número de moles (n) es igual a la masa (m)
dividido por la masa molar (M):
y sustituyendo
, obtenemos:
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donde:
Esta forma de la ley del gas ideal es muy útil porque se vincula la presión, la densidad ρ =
m/ V, y la temperatura en una fórmula única, independiente de la cantidad del gas
considerado.
En mecánica estadística las ecuaciones moleculares siguientes se derivan de los principios
básicos:
Aquí k es el constante de Boltzmann y N es el número actual de moléculas, a diferencia de
la otra fórmula, que utiliza n, el número de moles. Esta relación implica que Nk = nR, y la
coherencia de este resultado con el experimento es una buena comprobación en los
principios de la mecánica estadística.
Desde aquí podemos observar que para que una masa de la partícula promedio de μ veces
la constante de masa atómica m U (es decir, la masa es μ U)
y desde ρ = m/ V, nos encontramos con que la ley del gas ideal puede escribirse como:
Procesos gaseosos particulares
Procesos realizados manteniendo constante un par de sus cuatro variables (n, P , V, T), de
forma que queden dos; una libre y otra dependiente. De este modo, la fórmula arriba
expuesta para los estados 1 y 2, puede ser operada simplificando 2 o más parámetros
constantes. Según cada caso, reciben los nombres:
Ley de Boyle-Mariotte
Artículo principal: Ley de Boyle-Mariotte
También llamado proceso isotérmico. Afirma que, a temperatura y cantidad de gas
constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión:
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Leyes de Charles y Gay-Lussac
En 1802, Louis Gay Lussac publica los resultados de sus experimentos, basados en los
que Jacques Charles hizo en el 1787. Se considera así al proceso isobárico para la Ley de
Charles, y al isocoro (o isostérico) para la ley de Gay Lussac.
Proceso isobaro ( Charles)
Artículo principal: Ley de Charles y Gay-Lussac
Proceso isocoro ( Gay Lussac)
Artículo principal: Segunda ley de Gay-Lussac
Ecuación de los gases ideales: En la última expresión hemos visto que en cualquier
transformación que sufra cierta cantidad de gas, la expresión PV se mantiene constante,
T
siempre que la cantidad de gas no cambie. De hecho, la constante depende del número de
moles de gas que tengamos (n). Teniendo en cuenta esto, la expresión queda de la forma:
P.V
= n.R
T
P.V = nRT
(5)
Expresión conocida como ecuación de los gases ideales.
R es una constante, llamada constante universal de los gases, cuyo
valor es 0,082atm.lt/mol.ºK = 8,31J/mol.ºK
Las unidades de la constante R nos indica en qué unidades deben estar medidas
P, V y T. La temperatura siempre debe estar expresada en ºK
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5.- Factores ambientales que afectan al crecimiento de microorganismos
Una vez visto cómo podemos seguir la evolución de un cultivo, vamos a recordar que en
un proceso de crecimiento equilibrado todos los parámetros del cultivo evolucionan
manteniendo unas proporciones constantes. Por tanto, la medida (seguimiento) de
cualquiera de los factores nos permite seguir la evolución de los otros.
¿Qué factores ambientales influyen en el crecimiento microbiano?. A continuación
vamos a revisar los que son estrictamente ambientales y más adelante revisaremos los
relacionados con los nutrientes del cultivo. Entre los factores ambiéntales destacan los
siguientes:
Temperatura
Cada
microorganismo
tiene
una
temperatura
de
crecimiento
adecuada.
Si
consideramos la variación de la velocidad de crecimiento ( ) en función de la temperatura
de cultivo, podemos observar una temperatura mínima por debajo de la cual no hay
crecimiento (dX/dt = 0); a temperaturas mayores se produce un incremento lineal de la
velocidad de crecimiento con la temperatura de cultivo hasta que se alcanza la temperatura
óptima a la que
es máxima (para las condiciones de concentración de substrato en que
se trabaja, ver la discusión anterior al respecto). Por encima de esta temperatura óptima, la
velocidad de crecimiento decae bruscamente (µ
0) y se produce la muerte celular.
El incremento de µ con la temperatura se debe al incremento generalizado de la
velocidad de las reacciones enzimáticas con la temperatura. Se denomina coeficiente de
temperatura a la relación entre el incremento de la velocidad de reacción y el de
temperatura. En términos generales, la velocidad de las reacciones bioquímicas suele
aumentar entre 1.5 y 2.5 veces al aumentar 10ºC la temperatura a la que tienen lugar. La
ausencia de crecimiento (µ=0) a temperaturas muy bajas se debe a la reducción de la
velocidad de crecimiento y al cambio de estado de los lípidos de la membrana celular que
pasan de ser fluidos a cristalinos (algo parecido a la precipitación del aceite a bajas
temperaturas) impidiendo el funcionamiento de la membrana celular. La muerte celular a
altas temperaturas se debe a la desnaturalización de proteínas y a las alteraciones
producidas en las membranas lipídicas a esas temperaturas.
Es importante tener en cuenta que a temperaturas muy bajas, el metabolismo celular es
muy bajo y las células paran de crecer; aunque no tienen porqué comenzar a morir. Sin
embargo, cuando la temperatura es superior a la óptima, se produce la muerte celular
rápidamente (como veremos más adelante) y las células no pueden recuperar su
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capacidad de división si baja posteriormente la temperatura. Esto permite esterilizar por
calor y no por frío.
Hay varios tipos de microorganismos en función de sus temperaturas de crecimiento
mínima, máxima y óptima.
Tipode
Temp. Temp.
microorganismo mínima óptima
Temp.
máxima
Psicrófilo
-5 +5 12 - 15
15 - 20
Psicrótrofo
-5 +5 25 - 30
30 - 35
Mesófilo
5 - 15 30 - 45
35 - 47
Termófilo
40 - 45 55 - 75
60 - 90
Además de los indicados existen organismos hipertermófilos que pueden crecer a
temperaturas cercanas o incluso superiores a 100ºC en condiciones de alta presión. Son
microorganismos muy importantes desde el punto de vista ambiental; pero no tienen
aplicaciones actuales en agronomía o en microbiología industrial.
Los microorganismos psicrótrofos son mesófilos que pueden crecer a temperaturas
bajas. Esto es importante desde el punto de vista aplicado porque cuando se encuentran
contaminando alimentos, son capaces de crecer en condiciones de refrigeración (4 - 8ºC) y
de producir infecciones en los consumidores del alimento (30 - 35 ºC).
Los microorganismos deben ser cultivados a la temperatura adecuada para que su
crecimiento sea el deseado. En cualquier caso, hay que tener en cuenta los problemas
derivados de las altas temperaturas y controlar la de los ferementadores para evitar la
esterilización de los cultivos. Estas altas temperaturas, por otro lado, tienen interés aplicado
en el campo de la termodestrucción de microorganismos y en algunos procesos de
fermentación en los que el incremento de temperatura que se produce es capaz de eliminar
los microorganismos mesófilos patógenos presentes.
Importancia de los microorganismos de ambientes extremos
La mayor parte de los microorganismos de importancia aplicada tanto en microbiología
industrial como alimentaria son mesófilos, psicrófilos o psicrótrofos. En los procesos de
compostaje, el papel de los termófilos es importante, y también hay que considerar la
presencia de esporas termorresistentes en el estudio de los tratamientos térmicos de
termodestrucción de microorganismos en alimentos.
Sin embargo, es creciente el número de productos que se producen partiendo de
microorganismos termófilos porque producen proteínas termorresistentes que tienen gran
utilidad en procesos aplicados. Quizá el mejor ejemplo de esto es la ADN polimerasa Taq
obtenida a partir de la eubacteria termófila Thermus aquaticus. Esta enzima permite
sintetizar in vitro ADN a alta temperatura lo que ha sido esencial para el desarrollo de la
tecnología de la reacción en cadena de la polimerasa (conocida por sus iniciales en inglés:
PCR) lo cual ha supuesto un avance en la biología molecular, el diagnóstico y la detección
de microorganismos en los ambientes más variados.
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BIOFÍSICA
CRECIMIENTO MICROBIANO
Los requisitos para el crecimiento microbiano incluyen factores físicos y químicos. Entre los
factores físicos tenemos la temperatura, el pH y la presión osmótica. Los factores químicos
necesarios para el crecimiento bacterial son diversos elementos constitutivos de las células.
Requisitos Físicos
Temperatura
El patrón de crecimiento bacterial se ve profundamente influenciado por la temperatura. La
temperatura a crecimiento óptimo permite el crecimiento más rápido de las bacterias
durante un período de tiempo, usualmente entre 12 y 14 horas. La temperatura mínima de
crecimiento es aquella temperatura menor a la cual la especie puede crecer. La
Temperatura de crecimiento máximo es la temperatura mayor en la cual el crecimiento es
posible. Los microorganismos se dividen en 3 grandes grupos en base a su preferencia de
rango de temperatura.
Sicrófilos son capaces de crecer a 0°C ó menos, pero crecen mejor a una temperatura mayor.
Estas bacterias son capaces de crecer a 0°C, pero tienen una temperatura óptima de 15°C ó
menos y una máxima de aproximadamente 20°C. Los sicrófilos estrictos mueren si se
exponen a la temperatura de salón. Un ejemplo de sicrófilos estrictos son las bacterias que
crecen en la Antártica. Aún a una temperatura óptima estas bacterias se tardan en crecer de 2
a 3 semanas. Los sicrófilos facultativos o sicrotrofos son aquellos organismos que pueden
crecer a 0°C, pero crecen mejor a una temperatura de entre 20 a 30°C. Los mesófilos crecen
mejor a temperaturas que fluctúan de entre 25°C a 40°C. Aquí encontramos los patógenos de
humanos y animales de sangre caliente, éstos crecen mejor a 37°C. Los termófilos son
bacterias que crecen a una temperatura óptima sobre los 45°C. La región de crecimiento de
muchos termófilos se extiende a la región de los mesófilos. Estas se conocen como
termófilos facultativos. La temperatura óptima de crecimiento para estos últimos
microorganismos es entre 50 a 60°C. Los termófilos extremos crecen a una temperatura
mayor de 90°C. Es muy importante señalar que una bacteria no manifiesta las mismas
características de cultivo cuando se crece a diferentes temperaturas, un ejemplo lo
observamos en Serratia marcescens, esta bacteria produce un pigmento rojo solamente a
cierta temperatura de
cultivo.
pH
En la mayoría de las bacterias el crecimiento óptimo es entre 6.5 y 7.5. Muy pocas bacterias
crecen a un pH menor de 4.0. Sin embargo, las bacterias clasificadas como acidófilos son
tolerantes a la acidez, un ejemplo es Thiobacillus thiodans que crece a un pH óptimo de
entre 2.0 a 3.5.
Presión osmótica
Los microorganismos requieren agua para su crecimiento, además para obtener nutrientes de
ésta. Una presión osmótica alta causa pérdida de agua y plasmólisis de la célula, por lo que
se utiliza este fenómeno para conservar los alimentos ya sea añadiendo sal o azúcar, lo que
previene el crecimiento bacterial. Sin embargo algunas bacterias se han adaptado a altas
concentraciones de sal, a éstas se les conoce como halófilos extremos. Por otro lado, los
halófilos facultativos no requieren una alta concentración de sal, pero pueden crecer hasta
una concentración de 2%. Otras bacterias pueden tolerar hasta un 15% de sal.
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BIOFÍSICA
Requisitos Químicos
Carbóno (C) todos los organismos requieren C para sintetizar los componentes celulares.
Nitrógeno, azufre.y fósforo. Estos elementos se requieren para la síntesis de DNA, RNA,
proteínas y ATP. Las bacterias pueden obtener nitrógeno (N) ya sea fijándolo directamente
de la atmósfera, como por ejemplo el género bacteriano Rhizobium. También pueden
obtener este elemento de compuestos inorgánicos que contengan N como nitritos, nitratos,
sales de amonia o amino ácidos. Las bacterias pueden obtener azufre de iones de sulfato,
sulfito de hidrógeno y amino ácidos con azufre. El fósforo es esencial para la síntesis de
ácidos nucleicos y membranas celulares. Una fuente para obtener fósforo son los iones de
fosfato y el ATP.
Elementos trazas. Otros elementos como hierro, cobre, molibdeno y zinc son requeridos por
los microorganismos en pequeñas cantidades. Usualmente tienen función de cofactores.
Oxígeno No todos los microorganismos necesitan 02, sin embargo, muchas formas de vida
requieren oxígeno para llevar a cabo respiración aeróbica. Los microorganismos que utilizan
oxígeno molecular son llamados aeróbicos. Estos se clasifican en aeróbicos obligados que
son los que requieren oxígenos molecular para vivir, y los aeróbicos facultativos los cuales
utilizan el oxígeno molecular cuando está presente, pero en su ausencia continúan su
crecimiento por la vía de fermentación o respiración anaeróbica, un ejemplo es Escherichia
coli. Por otro lado tenemos los anaeróbico obligados que necesitan ausencia de oxígeno
molecular para crecer y donde este generalmente es tóxico, un ejemplo es el género
Clostridium. Estos microorganismos obtienen el átomo de oxígeno molecular del agua.
También se observan microorganismos anaeróbicos aerotolerantes los cuales no utilizan el
oxígenos molecular para su crecimiento, pero pueden tolerarlo. Los microaerofílicos sólo
pueden crecer en concentraciones de oxígeno molecular menor a las encontradas en el aire.
Factores orgánicos de crecimiento Estos son compuestos orgánicos esenciales que el
organismo no puede sintetizar, aquí se incluyen las vitaminas, los amino ácidos, las purinas y
las pirimidinas.
Medios de cultivo
Es un material nutriente preparado para el crecimiento de microorganismos en el laboratorio.
Un medio quimicamente definido es aquel donde su composición química exacta es
conocida. Un medio compleio es aquel donde su composición exacta varía de un lote a otro,
ya que este medio esta hecho de nutrientes como extractos de levaduras, carne, partes de
plantas o proteínas digeridas. Hay medios específicos para crecer anaeróbicos, es estos se
utiliza un ingrdiente reductor como tioglicolato de sodio, que se combina con el oxígeno
molecular disuelto para eliminarlo del medio. También hay medios selectivos, éstos medios
en particular proveen nutrientes que ayudan al crecimiento y predominancia de un tipo
particular de bacterias, y a su vez inhibe que otros tipos de microorganismos estén presentes,
un ejemplo de estos es el medio para crecer la bacteria Neisseria gonorrhoeae. El Medio
diferencial nos permite diferenciar entre varios tipos de bacterias al incorporar a éste ciertas
substancias como sangre, sal, tintes y otros. Si inoculamos el medio con bacterias que
destruyen las células rojas mientras que otras bacterias no destruyen este tipo de células,
podemos diferenciar unas de otras en el mismo medio.
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BIOFÍSICA
MICROBIOLOGIA DE LOS ALIMENTOS
FACTORES QUE AFECTAN A LA SUPERVIVENCIA DE LOS
MICROORGANISMOS EN LOS ALIMENTOS
Factores que afectan a la supervivencia de los microorganismos en los alimentos: Temperatura: Refrigeración, Congelación, Altas
temperaturas. Radiación ultravioleta. Radiación ionizante. Actividad de agua reducida. El pH y la acidez. Potencial redox. Acidos
orgánicos. Sales de curado y substancias análogas. Los gases como conservantes.
1.- TEMPERATURA..
- Según su comportamiento frente a la temperatura, los organismos pueden ser
térmofilos, mesófilos y psicrotrofos.
1.1.- Refrigeración.
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A temperaturas inferiores a la óptima, la velocidad de crecimiento de los
microorganismos disminuye y los periodos de latencia se alargan mucho.
A una temperatura de refrigeración (0 - 5º C) los organismos psicrófilos
crecen más rápidamente que los mesófilos. Po tanto, la baja temperatura
supone un factor de selección de la flora del alimento de gran importancia.
Cuando se enfría rápidamente un alimento muchas de las bacterias
mesófilas que normalmente resistirían la temperatura de refrigeración,
mueren como consecuencia del «choque de frío». Esto es más frecuente en
Gram-negativas que en Gram-positivas.
A baja temperatura las rutas metabólicas de los microorganismos se ven
alteradas, como consecuencia de su adaptación al frío. Estos cambios
metabólicos pueden dar lugar a que se produzcan deterioros diferentes,
causados por los mismos microorganismos a diferentes temperaturas.
El deterioro de alimentos refrigerados se produce por microorganismos
psicrofilos porque, aunque sus velocidades de crecimiento son lentas, los
periodos de almacenamiento son muy prolongados.
Los microorganismos patógenos son, en su mayoría, mesófilos y no
muestran crecimiento apreciable, ni formación de toxinas, a temperaturas de
refrigeración correctas. Ahora bien, si la temperatura no es controlada
rigurosamente puede producirse un desarrollo muy peligroso rápidamente.
1.2.- Congelación.
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La congelación detiene el crecimiento de todos los microorganismos. Los
superiores (hongos, levaduras, helmintos) son más sensibles que las
bacterias y mueren.
A temperaturas más bajas (-30º C) la supervivencia de las bacterias es
mayor que en temperaturas de congelación más altas (-2 a -10º C), sin
embargo estas temperaturas también deterioran el alimento más que las
más bajas.
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La congelación puede producir lesiones subletales en los microorganismos
contaminantes de un alimento. Este aspecto hay que considerarlo al hacer
control microbiológico.
Durante la congelación la carga microbiana continua disminuyendo. Sin
embargo, las actividades enzimáticas de las bacterias pueden continuar
dando lugar a más deterioro.
Tras la congelación los microorganismos supervivientes pueden
desarrollarse en un ambiente en el que la rotura de la integridad estructural
del alimento como consecuencia de la congelación puede producir un
ambiente favorable para el deterioro microbiano.
1.3.- Altas temperaturas.
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Las temperaturas superiores a las de crecimiento óptimo producen
inevitablemente la muerte del microorganismo o le producen lesiones
subletales. Las células lesionadas pueden permanecer viables; pero son
incapaces de multiplicarse hasta que la lesión haya sido reparada.
Aunque se han observado excepciones, está perfectamente establecido que
la cinética de termodestrucción bacteriana es logarítmica.
Se pueden determinar para cada microorganismo y alimento los valores de
termodestrucción D y z.
La velocidad de termodestrucción se ve afectada por factores intrínsecos
(diferencia de resistencia entre esporas y células vegetativas), factores
ambientales que influyen el crecimiento de los microorganismos (edad,
temperatura, medio de cultivo) y factores ambientales que actúan durante el
tratamiento térmico (pH, aw tipo de alimento, sales, etc.).
2.- RADIACION ULTRAVIOLETA.
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La radiación ultravioleta produce una disminución exponencial en el número
de células vegetativas o de esporas vivas con el tiempo de irradiación. Por
tanto se pueden calcular los valores D para la irradiación.
Existe una falta de información precisa sobre la susceptibilidad de las
diferentes especies microbianas a la radiación U.V.: diferentes cepas de una
misma especie pueden tener una resistencia distinta.
El mayor valor del tratamiento con radiaciones U.V. se encuentra en el
saneamiento del aire, aunque también pueden aplicarse para esterilizar
superficies de alimentos o para el equipo de los manipuladores de alimentos.
3.-RADIACION IONIZANTE.
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La radiación ionizante es altamente letal, puede ajustarse su dosis para producir
efectos pasteurizantes o esterilizantes y su poder de penetración es uniforme.
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Es letal por destrucción de moléculas vitales de los microorganismos, esto los
consigue sin producción de calor, por lo que los alimentos se conservan frescos. La
mayoría de los daños son a nivel ADN.
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La sensibilidad a la radiación de los microorganismos difiere según las especies e
incluso según las cepas, aunque las diferencias de resistencia entre cepas de una
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mismas especie son generalmente lo suficientemente pequeñas para no tenerlas en
cuenta a efectos prácticos.
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Las bacterias Gram-negativas son generalmente más sensibles a la irradiación que
las Gram-positivas y las esporas aún más resistentes.
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En general, la resistencia a la radiación de los hongos es del mismo orden que la de
las formas vegetativas bacterianas.
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Los virus son aún más resistente que las bacterias a la radiación.
4.- ACTIVIDAD DE AGUA REDUCIDA.
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Los microorganismos requieren la presencia de agua, en una forma disponibles,
para que puedan crecer y llevar a cabo sus funciones metabólicas. La mejor forma
de medir la disponibilidad de agua es mediante la actividad de agua (aw). La aw de
un alimento puede reducirse aumentando la concentración de solutos en la fase
acuosa de los alimentos mediante la extracción del agua o mediante la adición de
solutos.
La deshidratación es un método de conservación de los alimentos basado en la
reducción de la aw, durante el curado y el salazonado, así como en el almíbar y
otros alimentos azucarado son los solutos los que, al ser añadidos, descienden la
aw.
Un pequeño descenso de la aw es, a menudo, suficiente para evitar la alteración del
alimento, siempre que esta reducción vaya acompañada por otros factores
antimicrobianos.
La mayoría de las bacterias y hongos crece bien a aw entre 0,98 y 0,995; a valores
aw más bajos la velocidad de crecimiento y la masa celular disminuyen a la vez que
la duración de la fase de latencia aumenta hasta llegar al infinito (cesa el
crecimiento).
Algunos tipos de microorganismos son capaces de crecer en condiciones de alto
contenido de sal (Baja aw). Dependiendo de la capacidad de supervivencia a baja
aw se denominan osmófilos, xerófilos y halófilos (según va aumentando su
requerimiento de sal).
La baja aw reduce también la tasa de mortalidad de las bacterias: una baja aw
protege los microorganismos durante tratamientos térmicos.
5.- pH Y LA ACIDEZ.
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En general, la presencia de ácidos en el alimento produce una drástica
reducción de la supervivencia de los microorganismos. Los ácidos fuertes
(inorgánicos) producen una rápida bajada del pH externo, aunque su
presencia en la mayoría de los alimentos es inaceptable. Los ácidos
orgánicos débiles son más efectivos que los inorgánicos en la aciclificación
del medio intracelular; se supone que esto ocurre porque es más fácil su
difusión a través de la membrana celular en su forma no disorciada
(lipofílica) y posteriormente se disocian en el interior de la célula inhibiendo el
transporte celular y la actividad enzimática.
La mayoría de los microorganismos crecen a pH entre 5 y 8, en general de
hongos y las levaduras son capaces de crecer a pH más bajos que las
bacterias. Puesto que la acidificación del interior celular conduce a la pérdida
del transporte de nutrientes, los microorganismos no pueden generar más
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energía de mantenimiento y, a una velocidad variable según las especies, se
produce la muerte celular.
6.- POTENCIAL REDOX.
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Se piensa que el potencial redox es un importante factor selectivo en todos
los ambientes, incluidos los alimentos, que probablemente influye en los
tipos de microorganismos presentes y en su metabolismo. El potencial redox
indica las relaciones de oxígeno de los microorganismos vivos y puede ser
utilizado para especificar el ambiente en que un microorganismo es capaz de
generar energía y sintetizar nuevas células sin recurrir al oxígeno molecular:
los microorganismos aerobios requieren valores redox positivos y los
anaerobios negativos. cada tipo de microorganismo sólo puede vivir en un
estrecho rango de valores redox.
7.- ACIDOS ORGANICOS.
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La actividad antimicrobiana de un ácido orgánico o de su éster se debe a las
moléculas no disociadas de este compuesto, porque esta forma molecular es
la más soluble en las membranas celulares, por esto sólo los ácidos
orgánicos lipofílicos tienen actividad antimicrobiana.
Estos compuesto inhiben el crecimiento de los microorganismos o los matan
por interferir con la permeabilidad de la membrana celular al producir un
desacoplamiento del transporte de substratos y el transporte de electrones
de la forforilación oxiclativa. como consecuencia de esto las bacterias no
pueden obtener energía y mueren.
La mayorías de los ácidos orgánicos resultan poco eficaces como
ínhibidores del crecimiento bacteriano a los pH de 5.5 a 5.8, y son más
eficaces a altas concentraciones y pH más bajos. (Cuando el estado
disociado del ácido es más infrecuente). Su empleo más frecuente es como
micostáticos.
De todos los ácidos el más efectivo es el acético.
8.- SALES DE CURADO Y SUBSTANCIAS ANALOGAS.
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Las sales de curado son el cloruro sódico y los nitratos o nitritos de sodio y potasio;
estos productos modifican el alimento base en el color, aromas, textura y
sensibilidad al crecimiento microbiano.
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A las concentraciones y bajo las condiciones corrientemente utilizadas, los agentes
de curado no causan una destrucción microbiana rápida; más bien retrasan o
previenen el desarrollo de los microorganismos perjudiciales de los productos sin
tratar por el calor y el de los termotolerantes no esporulados y evitan el desarrollo
de las esporas que sobreviven al tratamiento térmico más drástico aplicado a
ciertos productos curados.
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Se desconoce el mecanismo exacto de la inhibición de las bacterias por el nitrito
que, aunque no previene la germinación de las esporas, evita su desarrollo.
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9.- GASES COMO CONSERVADORES.
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Diversos gases y vapores naturales o artificiales destruyen o inhiben los
microorganismos. El nitrógeno y el oxígeno se usan con frecuencia en el envasado
y almacenamiento de los alimentos pero su fin primario no es la inhibición de los
microorganismos; diversos gases son poderosos biocidas y se han utilizado con
éxito en la desinfección de hospitales, establos y compartimentos de barcos o como
fumigantes del suelo, pero no se han aplicado a los alimentos.
El CO2 inhibe el crecimiento de microorganismos sobre los alimentos con eficiencia
creciente cuanto más desciende la temperatura. Este efecto se manifiesta tanto en
bacterias como en hongos por un incremento de la fase de latencia y del tiempo de
generación durante la fase logarítmica. Su mecanismos de inhibición no se conoce
con claridad, aunque se debe a la presencia del CO2 (y quizá a la formación de
ácido carbónico) y no a la ausencia de oxígeno. Los mohos y las levaduras son alga
más resistentes al CO2 que las bacterias (las Gram-negativas más sensibles que
las Gram-positivas).
La actividad antimicrobiana del dióxido de azufre está relacionada con la forma
molecular no ionizadas: no se conoce un modo de acción, aunque este gas es muy
reactivo y probablemente interacciona con muchos componente celulares. Su
acción tóxica es selectiva: las bacterias son más resistentes que los mohos y las
levaduras, por la que este gas se emplea frecuentemente como antifúngico.
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El óxido de etileno resulta muy tóxico para los microorganismos y su actividad está
relacionada con su acción como agente alquilante. Los mohos y levaduras son más
sensibles que las bacterias y estas que las esporas.
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